大跨径PC小箱梁桥合理施工顺序及抗裂措施

2022-01-12刘沐宇曾宏伟邓晓光

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2021年6期

刘沐宇曾宏伟邓晓光张强

(武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室1) 武汉 430070)(中铁大桥勘测设计院集团有限公司2) 武汉 430050)

0 引言

预应力混凝土小箱梁桥采用先简支后连续的施工方法，具有受力合理、施工速度快、行车舒适等优点，广泛应用于中小跨径桥梁[1-2].随着桥梁跨径逐步增大，在由简支变连续的体系转换中，梁端现浇段、支点负弯矩区预应力张拉、临时支座拆除等施工顺序的不同，将对桥梁结构内力和施工安全产生较大的影响[3].

国内外学者针对简支变连续的合理施工顺序与支点负弯矩区抗裂措施展开了一系列研究.杨万里等[4]研究了不同端浇筑与张拉工序下的结构受力,得出“一次整体浇筑”在各支点附近截面上缘具有更大的压应力储备.刘亚楠[5]研究了某六跨简支变连续梁桥的临时支座拆除顺序，得出“隔断拆除”引起的附加挠度较小.现有研究成果主要针对中小跨径桥梁，随着跨径的不断增大，桥梁结构受力更加复杂.对于桥梁支点负弯矩区，为了提高桥梁的抗裂能力，常用的抗裂措施主要包括预压静载法、支点升降法及布置顶板预应力钢束等，其施工过程复杂.樊健生等[6]研究了钢-ECC组合梁负弯矩区受弯性能，其开裂荷载较钢混组合梁提高5倍.李文光等[7-8]研究了钢-UHPC组合桥面的受弯性能，发现其在负弯矩作用下开裂荷载达到18 MPa以上.针对负弯矩区抗裂问题，文中从提升负弯矩区混凝土抗裂性能出发，通过研发轻质超高性能混凝土(lightweight ultra-high performance concrete，LUHPC)，提出部分替代负弯矩区小箱梁的顶板材料、取消顶板内设置的预应力钢束的抗裂措施，为解决预应力混凝土小箱梁负弯矩区抗裂问题提供新的途径.

1 工程概况

武汉市某高架桥全长2.24 km，道路等级为城市快速路，设计速度为80 km/h，设计汽车荷载等级为城-A级.桥梁上部结构为采用预应力混凝土小箱梁桥结构，跨径40 m，4 m×40 m一联，纵向布置见图1.

图1 武汉市某高架桥4 m×40 m一联纵向布置图(单位：cm)

桥梁按左右幅分离进行设计，单跨半幅桥宽18.5 m，预制梁由6片梁组成，梁高2 m，图2为预制小箱梁标准断面图.支点负弯矩区范围内布置7束预应力钢束(见图3)，T1、T2、T3号钢束分别为6股、5股、6股，采用s15.24(A=140 mm2)高强度低松弛钢绞线，标准强度为1 860 MPa，张拉控制力为标准强度的75%.

图2 预制小箱梁标准断面图(单位：cm)

图3 负弯矩区预应力钢束布置图(单位：dm)

2 合理施工顺序确定

大跨径预应力混凝土小箱梁桥其施工方法为先简支后连续，需要经历以下阶段：吊装主梁到位→浇筑小箱梁间横向湿接缝混凝土→浇筑纵向现浇段混凝土→张拉负弯矩区预应力钢束→拆除临时支座，完成体系转换→桥面铺装施工.在结构体系从简支过渡到连续的施工过程中，不同的施工顺序将对结构的内力重分布和变形产生较大的影响，文中针对不同负弯矩区预应力束张拉与临时支座拆除顺序对桥梁受力的影响展开研究，以期找到合理施工顺序，为施工组织设计提供依据，见图4.

图4 主梁简支变连续施工示意图

负弯矩区预应力张拉顺序考虑以下3个工序方案：方案1，一次浇筑，依次张拉；方案2，一次浇筑，由两边至中间对称张拉；方案3，一次浇筑，由中间至两边对称张拉.

临时支座拆除顺序考虑以下三个工序方案：方案1，依次拆除；方案2，由两边至中间对称拆除；方案3，由中间至两边对称拆除.

2.1 有限元模型建立

运用midas软件采用梁格法建立全桥有限元模型，共划分节点1 582个、单元2 029个，根据实际情况施加边界条件和荷载.武汉市某高架桥4×40 m一联有限元模型见图5，模型混凝土材料参数见表1，预应力钢束参数见表2.

图5 武汉市某高架桥4×40 m一联有限元模型

表1 C50混凝土材料特性

表2 预应力钢束材料特性

2.2 负弯矩区预应力钢束张拉顺序分析

各工序完成后各跨中累计挠度见表3，各支点截面上缘应力见表4.

表3 不同张拉方案下各跨中累计挠度单位：mm

表4 不同张拉方案下各支点截面上缘应力单位：MPa

由表3可知：方案1各跨跨中挠度分布较离散，第4跨跨中累计挠度小于第1跨，第3跨跨中累计挠度小于第2跨.方案2～3中，各跨跨中累计挠度基本对称，方案3边跨跨中挠度小于方案2，中跨跨中挠度大于方案2，因此方案2有利于中跨受力，不利于边跨受力，而方案3则对边跨受力有利，对中跨受力不利.

分析表4可知：3个工序各支点截面上缘应力与各跨中累计挠度有着相同的分布规律，即方案1各支点截面上缘压应力较离散，方案2有利于中跨受力，方案3对边跨受力有利.

综上所述，方案3结构挠度小、变化均匀，支点截面压应力较大，有利于支点负弯矩区抗裂，故“梁端混凝土一次浇筑，由中间至两边对称张拉负弯矩区预应力束”为合理施工顺序.

2.3 临时支座拆除顺序分析

采用“一次浇筑，由中间至两边对称张拉”的施工工序，以负弯矩区预应力钢束张拉完成为基准，进行合理临时支座拆除顺序分析.各工序完成后各跨中最大阶段挠度见表5，各跨中累计挠度见表6，各支点截面上缘应力见表7.

表5 不同拆除方案下各跨中最大阶段挠度单位：mm

表6 不同拆除工序下各跨中累计挠度单位：mm

表7 不同拆除工序下各支点截面上缘应力单位：MPa

由表5可知：临时支座的拆除顺序将对阶段挠度产生一定影响，对比三种工序的各跨跨中最大阶段挠度，方案1在第4跨跨中出现了2.00 mm的最大值，各跨最小值均发在方案3；以最小值为基准，各跨计算结果最大值与最小值分别相差17.4%、20.0%、8.3%、19.8%.

方案3引起的跨中挠度最小，对结构内力影响较小，因此，合理的临时支座拆除顺序为方案3，“由中间至两边对称拆除”.

3 负弯矩区抗裂措施

在负弯矩区主梁顶板内设置预应力束是当前大跨径预应力小箱梁桥采用的负弯矩抗裂措施之一，但由于施工复杂、锚固区应力集中、预应力损失等问题，其运用具有一定局限[9].针对上述问题，从提高负弯矩区混凝土材料的抗拉性能角度出发，制备出具有轻质、高强、免蒸养等优异性能的LUHPC[10]，将其应用于桥梁负弯矩区内(支点左右各8.5 m)小箱梁顶板截面与主梁现浇段截面(见图6～8)，充分利用LUHPC优异的力学性能，取消负弯矩区顶板内设置的预应力钢束.

图6 负弯矩区设置LUHPC示意图

图7 小箱梁LUHPC-C50横断面

图8 支点处现浇段横断面

3.1 LUHPC的制备与基本力学性能

3.1.1LUHPC配合比

制备LUHPC采用P·O52.5水泥；矿物掺合料选用硅灰与粉煤灰；集料选用细陶砂；外加剂选用羧酸高效减水剂；钢纤维选用高强镀铜微细短钢纤维.LUHPC具体配合比见表8.

表8 LUHPC配合比

3.1.2LUHPC基本力学性能试验设计

GB/T 50081-2019按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行试件的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量和泊松比等力学性能测试，按照JGJ/T 12-2019《轻骨料混凝土应用技术标准》测试试件的表观密度.立方体抗压强度、劈裂抗拉强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm, 轴心抗压强度、弹性模量和泊松比试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm.试件龄期均为28 d.每组试验均采用3组试件，每组3个试件，结果取平均值.

3.1.3LUHPC基本力学性能试验结果

测得LUHPC立方体抗压强度fcu、轴心抗压强度fc、劈裂抗拉强度fts、弹性模量E、泊松比μ、表观密度ρ，试验结果见表9.

表9 LHUPC基本力学性能试验结果

3.2 负弯矩区抗裂性能有限元分析

3.2.1有限元模型建立

运用midas软件中施工联合截面功能建立全桥有限元模型，通过在对应的施工阶段分别激活C50材料截面与LUHPC材料截面，达到模拟多层叠合的效果.LUHPC材料参数见表10.

表10 LHUPC材料特性

3.2.2负弯矩区成桥阶段应力分析

成桥恒载作用下，主梁负弯矩区应力图见图9，各支点截面应力计算结果见表11.

图9 成桥阶段结构负弯矩区应力图

表11 成桥阶段各支点截面应力表单位：MPa

在成桥阶段各支点截面上缘均受拉，最大拉应力为2.51 MPa，发生在1#支点截面上缘，远小于LUHPC劈裂抗拉强度14.1 MPa，各支点截面下缘均受压，桥梁在负弯矩区具有足够的安全储备.

3.2.3负弯矩区运营阶段应力分析

考虑以下两种荷载组合对抗裂新措施控制下桥梁结构进行正常使用极限状态应力分析，组合1：1.0恒荷载+1.0收缩徐变+0.7汽车荷载+0.4人群荷载+1.0整体温升+0.8升温梯度+1.0沉降；组合2：1.0恒荷载+1.0收缩徐变+0.7汽车荷载+0.4人群荷载+1.0整体温降+0.8降温梯度+1.0沉降.

运营阶段应力计算结果见表12，图11为负弯矩区设置LUHPC在组合2作用下主梁负弯矩区应力包络图.